(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191)

埋弧焊是一種效率高、工作條件好的焊接方式，在重型機(jī)械、船舶工程、大型結(jié)構(gòu)體等的焊接制造中起著重要的作用。相對直流（DC）埋弧焊來說，交流（AC）方波埋弧焊能夠調(diào)節(jié)更多的焊接參數(shù)，焊接工藝適用性廣，并且磁偏吹小，因此能夠適應(yīng)更廣泛的焊接需求[1-2]。

目前比較成熟的大功率交流埋弧焊電源主要有晶閘管式方波埋弧焊電源、絕緣柵雙極型功率管（IGBT）型逆變埋弧焊電源等。晶閘管式埋弧焊機(jī)功率損耗大，且多采用工頻變壓器，其體積和重量都很大，因此其應(yīng)用受到一定的限制[3-6]。相對而言，采用IGBT的交流方波埋弧焊電源能夠采用高頻變壓器進(jìn)行變壓輸出，其體積小，效率高，應(yīng)用廣泛。在文獻(xiàn)[7]中，逆變交流方波埋弧焊電源存在著較長過零時間（超過10μs），過零速度較慢（約0.25A/μs）等問題，影響電弧的穩(wěn)定，甚至?xí)邢ɑ〉目赡?。文獻(xiàn)[3]中設(shè)計了一種帶耦合電感的二次半橋電路，其換向速度較快，但在二次逆變電路中引入了功率開關(guān)K來控制續(xù)流回路中電容的充、放電，增加了電路的復(fù)雜性和控制的難度。在提高弧焊電源變極性的轉(zhuǎn)換速度上，需要主電路拓?fù)浜涂刂品椒ǖ慕Y(jié)合才能達(dá)到好的效果。

本研究旨在采用傳統(tǒng)的雙逆變電路交流方波埋弧焊主電路拓?fù)涞幕A(chǔ)上，對主電路拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)并配合相應(yīng)的控制策略，研制了一種大功率快變換的交流方波埋弧焊電源，在換向過程中實現(xiàn)了電流過零無死區(qū)時間，過零速度最高可達(dá)90A/μs，解決了交流方波電源換向速度不夠快等問題。

1 主電路拓?fù)湓O(shè)計

1.1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

主電路采用以IGBT為開關(guān)器件的全橋型一次逆變電路和半橋型二次逆變電路，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相380V電網(wǎng)電壓經(jīng)過輸入整流、濾波后轉(zhuǎn)換為較為穩(wěn)定的直流電，再輸入一次全橋結(jié)構(gòu)的逆變電路。一次全橋逆變電路的IGBT的開關(guān)頻率為20kHz，直流電經(jīng)過其開關(guān)控制后得到了交流方波電壓（頻率為20kHz），輸入到高頻變壓器的原邊，經(jīng)過變壓器的降壓將約500V的電壓值降低到約70V。變壓器的副邊電壓經(jīng)過二極管整流輸入到二次半橋逆變電路，通過較低的開關(guān)頻率將輸出的電壓轉(zhuǎn)換為10～100Hz頻率的交流方波電壓。

圖1 埋弧焊電源主電路拓?fù)銯ig.1 Main circuit topology of SAW power source

此外為滿足最大1000A的電流輸出，文獻(xiàn)[5]中采用了雙全橋并聯(lián)拓?fù)浜途骺刂萍夹g(shù)，實現(xiàn)了高達(dá)1000A以上的電流輸出，相當(dāng)于將兩臺逆變焊機(jī)并聯(lián)起來，導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此外還要考慮電流均衡問題。為使電路簡單且滿足大功率的輸出要求，本研究中將二次逆變電路采用三路半橋直接并聯(lián)的方式。

1.2 二次逆變電路結(jié)構(gòu)

為了保證輸出的變極性方波能夠快速變換，二次逆變電路采用串接耦合電感的半橋式逆變電路，并帶有小功率電壓尖峰吸收保護(hù)逆變回饋電路。如圖2所示為二次逆變電路結(jié)構(gòu)。

圖2 埋弧焊電源二次逆變電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Secondary inverter circuit of SAW power source

一次逆變后，高頻電壓經(jīng)過高頻變壓器T1降壓到副邊，T1副邊的高頻電壓（20kHz）經(jīng)過VD1和VD2的半波整流后輸入到串接耦合電感的半橋電路中，通過半橋電路中Q1、Q2的開關(guān)控制輸出方波交流電。其中L1、L2是耦合電感，能夠?qū)敵鲭娏髌鸬綖V波以及輔助加快極性轉(zhuǎn)換速度的作用，并且維持電流的連續(xù)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 一次逆變電路——雙閉環(huán)控制

一次逆變電路主要是對電源系統(tǒng)的外特性進(jìn)行控制，通過脈寬調(diào)制（PWM）控制調(diào)節(jié)IGBT的開斷從而得到可靠的滿足焊接需求的電源輸出特性。本研究中主要采用了電壓電流雙閉環(huán)控制，對輸出進(jìn)行恒壓恒流的控制策略，其控制原理框圖如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)控制原理Fig.3 Double closed loop control principle

霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器分別采集電弧電壓參數(shù)和焊接電流參數(shù)，然后與給定的電壓電流進(jìn)行比較后產(chǎn)生電壓誤差信號和電流誤差信號。兩個誤差信號進(jìn)入PI控制調(diào)節(jié)后，進(jìn)入PWM模塊產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM驅(qū)動信號，最后通過驅(qū)動電路產(chǎn)生相位相差180°的兩路驅(qū)動信號，分別驅(qū)動Q1、Q4以及Q2、Q3兩組IGBT，從而產(chǎn)生高頻交流方波信號，通過電壓電流雙閉環(huán)控制輸出電壓、電流。

2.2 二次逆變電路——“臨界共同導(dǎo)通”策略

二次逆變電路決定了輸出方波交流電的換向過程，其結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及控制策略對電源的輸出性能有很大的影響。目前，二次逆變電源的換向控制策略主要有兩類，一類是在正反兩開關(guān)管交互導(dǎo)通階段之間設(shè)置延遲時間，以防止直通現(xiàn)象，稱為“共同截止”控制策略；另一類是讓兩組開關(guān)管存在幾個微秒的共同導(dǎo)通時間，稱為“共同導(dǎo)通”控制策略。認(rèn)為“共同導(dǎo)通”策略能夠加快電流的換向速度，同時也更能保持電弧的穩(wěn)定[7-10]。但是共同導(dǎo)通時間不宜過長，過長則將導(dǎo)致輸出電流為零，且電流過零時間隨著共同導(dǎo)通時間的增加而增加。通過分析主電路切換過程，若“共同截止”、“共同導(dǎo)通”時間過長都將使輸出電流出現(xiàn)過零死區(qū)，只有使上下橋臂切換介乎“共同截止”與“共同導(dǎo)通”之間，輸出電流過零才無死區(qū)時間，這種控制策略本文稱為 “臨界共同導(dǎo)通”控制策略。實際試驗表明，由于L0的存在，“臨界共同導(dǎo)通”控制策略選取使上下橋臂切換時其驅(qū)動波形存在（1～2μs）的共同導(dǎo)通時間，效果最佳。

采用“臨界共同導(dǎo)通”策略時，正向焊接電流向負(fù)向焊接電流轉(zhuǎn)變過程中，將Rarc等效看作電弧的等效電阻，L0為輸出回路電纜等效電感，二次逆變電路的工作過程如下。

（1）Q1導(dǎo)通，Q2截止：如圖4所示，此時T1高頻電流經(jīng)過VD1的半波整流后，流向L1，L1對高頻半波電流進(jìn)行濾波，流向 Q1、Rarc、L0，最終回到 T1的中心抽頭。電流流向為L1—Q1—Rarc—L0—T1中心抽頭。此時輸出電流是“正半波”。

圖4 Q1導(dǎo)通Q2截止時的電流情況Fig.4 Current condition when Q1 on and Q2 off

（2）Q1導(dǎo)通，Q2導(dǎo)通：在電流換向前，Q1、Q2共同導(dǎo)通的時間，二次逆變電路進(jìn)入“直通”狀態(tài)。此時電流經(jīng)過開關(guān)管Q1之后分別流向電弧和通過開關(guān)管Q2流向電感L2，由于分流的作用，電弧電流會迅速下降并且為電感L2儲能。此時的電流方向如圖5所示，L1—Q1—Rarc—L0—T1的中心抽頭以及L1—Q1—Q2—L2—VD2—T1。利用共同導(dǎo)通階段使電弧電流快速衰減，為電弧電流換向做好準(zhǔn)備。

（3）Q1截止，Q2導(dǎo)通：此狀態(tài)下，流過開關(guān)管Q1的電流迅速減小到零，電感L1因電流的瞬間切斷而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于互感作用電感L2產(chǎn)生與L1大小相等、方向相反的電動勢，與一次逆變電路輸出電壓疊加形成反向電壓，提高了反向電流的建立速度，因此能夠迅速建立起電弧反向電流，形成電流輸出“負(fù)半波”。換向過程完成，此時輸出電流是“負(fù)半波”。電流方向如圖6所示，T1的中心抽頭—L0—Rarc—Q2—L2—VD2。

圖5 Q1、 Q2都導(dǎo)通時的電流情況Fig.5 Current condition when both Q1 and Q2 on

圖6 Q1截止Q2導(dǎo)通時的電流情況Fig.6 Current condition when Q1 off and Q2 on

通過以上過程的分析，在“臨界共同導(dǎo)通”控制策略下，所采用的續(xù)流電感使得二次逆變換向過程中的電流減小速度加快，電流過零無死區(qū)，并且能迅速建立起反向電流，保證電流極性的快速變換以維持電弧的穩(wěn)定。

3 電源輸出特性的測試

對埋弧焊電源進(jìn)行了輸出性能的測試，測量并繪制了電源的輸出外特性，給出了二次逆變電路的PWM驅(qū)動波形，采集了電源變極性工作過程中正負(fù)600A的電流波形及其上升沿和下降沿波形。

電源輸出電流分別給定為600A、450A和300A，通過改變輸出負(fù)載的阻抗值，測量并記錄負(fù)載兩端的電壓值和電流值，繪制電源的輸出外特性曲線，如圖7所示。可以看到，電源的空載電壓為80V左右，電弧容易引燃。同時，電源的恒流特性良好。

由于變極性特性主要由二次逆變半橋電路決定，對其IGBT的控制采取“臨界共同導(dǎo)通”策略，設(shè)置導(dǎo)通時間約2μs，其進(jìn)入高頻驅(qū)動電路的PWM信號和IGBT的驅(qū)動信號分別如圖8、圖9所示，PWM信號約2μs的共同導(dǎo)通時間，進(jìn)入驅(qū)動電路后，由于驅(qū)動電路的延時和上升速度有限，形成了極短的共同導(dǎo)通時間。

此外，根據(jù)實際的焊接情況以及控制需求，設(shè)置脈沖方波電流的頻率為50Hz，占空比為50%時測得實際變極性工作過程中正負(fù)600A輸出電流波形如圖10所示，可以看到輸出電流的波形換向快速。圖11所示為電流換向過程的波形圖，電流從負(fù)600A上升到約正300A及從正600A下降至負(fù)300A僅用時10μs左右，即電流變化率高達(dá)90A/μs，且電流過零無死區(qū)時間，極大地提高了電源的電流變換速度。

從試驗結(jié)果來看，所研制的交流方波埋弧焊電源輸出電流的外特性控制穩(wěn)定，變極性換向過程迅速，電流過零無死區(qū)時間，電弧穩(wěn)定。

圖7 電源的輸出外特性曲線Fig.7 External characteristic of power source

圖8 二次逆變電路PWM信號Fig.8 PWM signal of secondary inverter circuit

圖9 IGBT驅(qū)動信號波形Fig.9 Drive signal waveform of IGBT

圖10 輸出電流波形Fig.10 Output current waveform

圖11 輸出電流換向過程中波形Fig.11 Waveforms of output current commutation process

4 結(jié)論

（1）研制了一種雙逆變電路結(jié)構(gòu)的快變換交流方波埋弧焊電源，該電源由全橋型一次逆變電路和半橋型二次逆變電路組成，二次逆變電路由續(xù)流耦合電感、小功率電壓尖峰吸收保護(hù)逆變回饋電路、IGBT半橋電路構(gòu)成。

（2）交流方波埋弧焊電源的變極性主要是由二次逆變電路所決定的，采用了“臨界共同導(dǎo)通”的控制策略，分析了在這種策略下的變極性切換的過程，表明“臨界共同導(dǎo)通”策略的變極性的切換效果好，切換速度快。

（3）快變換交流方波埋弧焊電源的輸出特性測試表明，在電流極性轉(zhuǎn)換的過程中，無過零死區(qū)時間，變極性速度（電流變化速率）可達(dá)90A/μs。

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